碳量子点的合成及应用毕业论文
2022-02-13 20:36:53
论文总字数：8955字
摘 要
近年来，长波碳点因其长波发射的特性，被广泛地应用于传感器、生物成像、电致发光等领域。但是，长波碳点的合成一直是碳点合成领域的难题。本文采用水热法合成碳点，广泛地进行筛选。通过加入不同共轭链的氮源和掺杂金属离子，我们发现了2,6-二氨基蒽醌作氮源并掺杂锌离子的碳点具有长波发射的特性。2,6-二氨基蒽醌碳点的发射波长在610nm左右，其荧光量子产率为20.01%。在此基础上，我们利用荧光能量共振转移(FRET)，我们发现其对二价铜离子有特异性响应，为了便于携带，我们将其制成了铜离子检测试纸。
关键词：长波发射碳点 金属离子掺杂 检测试纸
Abstract
In recent years, long-wave carbon dots have been widely applied in the fields of sensors, bio-imaging and electroluminescence because of the characteristics of long-wave emission. However, the synthesis of long-wave carbon dots has been a difficult problem in the area of carbon dots synthesis. This paper uses hydrothermal method to synthesize carbon dots, which is widely screened. By adding different nitrogen source of conjugated chain and doping metal ions, we found that the 2,6-diaminoanthraquinone as source of nitrogen and carbon dots doped zinc ions has the characteristics of the long wave emission. The emission wavelength of 2, 6-diaminophenone carbon dots is around 610nm, and its fluorescence ratio is zero. On this basis, with fluorescence resonance energy transfer (FRET), we found that the metal ions have a specific response, in order to easy to carry, we made the test paper, it also has a lower detection limit.
Key Words: Carbon dots with emission of long wavelength; doping metal ion; test paper
目录
摘 要 I
Abstract II
第一章 前言 1
1.1 碳点背景介绍 1
1.2碳点制备方法 1
1.2.1按形成方式分类 1
1.2.2按制备手段分类 1
1.3碳点的应用 3
1.3.1传感器 3
1.3.2生物成像 3
1.3.3光催化 3
1.3.4电致发光 3
1.3.5其他 3
1.4碳点研究的瓶颈 3
1.4.1荧光效率偏低 3
1.4.2碳点荧光发射波长偏短 4
1.5本文创新点 4
1.5.1金属离子掺杂 4
1.5.2可见光激发 4
第二章 实验 5
2.1实验仪器 5
2.2实验试剂 5
2.3实验步骤 6
2.3.1碳点的合成及其对照试验 6
2.3.2参比法测量碳点的荧光量子产率 7
2.3.3制备检测试纸 7
2.4长波碳点的表征 8
第三章 结果与讨论 10
3.1碳点合成的结果和讨论 10
3.1.1碳点尺寸 10
3.1.2碳点结构 10
3.1.3碳点荧光性质 10
3.2检测试纸制备的结果和讨论 10
3.2.1结果 10
3.2.2讨论 11
第四章 结论与展望 12
4.1结论 12
4.2展望 12
参考文献 13
致谢 15
第一章 前言
1.1 碳点背景介绍
众所周知，碳元素在自然界存量极大。随着纳米技术的发展，碳基材料大放异彩。例如：富勒烯、石墨烯、碳纳米管等。然而，因为带隙过窄，上述材料的光学性质却不突出。于是，新型荧光碳基材料—碳点被发现。
碳量子点（carbon quantum dots, CQDs），简称碳点（carbon dots, CDs）。因为碳点的三维尺寸均在10nm以下，电子的运动受到限制，从而具有荧光特性。
1.2碳点制备方法
1.2.1按形成方式分类
按形成方式分类，可分为自上而下法和自下而上法。自上而下法，即把大块的碳结构分解成10nm以下的碳点；自下而上法，即把小分子的前驱体聚合成10nm以下的碳点。
1.2.2按制备手段分类
- 水热法
水热法是一种低成本的方法。同时兼具环境友好和高效的特点。这种方法的前驱体碳源来源广泛。例如柠檬酸，葡萄糖等。将它们溶解在去离子水中，可以加入一些氮源，如三乙胺等。然后，在高压反应釜里200℃反应12小时。再用透析袋透析三天，即可得到碳点溶液。
- 电化学法
由于石墨和多壁碳纳米管(MWCNTs)的低成本、易于操作和高生产率等特。合成由石墨和多壁碳纳米管(MWCNTs)的电化学氧化的碳点具有广阔的前景。Zhou首先提出了一种电化学的方法来制备碳纳米晶体(CNCs)。它是一种在有0.1M四丁基铵(TBAP)的条件下，作为支持电解质的一种脱气溶液。通过化学气相沉积法得到MWCNTs覆盖的复写纸。使用这种基于MWCNTs的碳纸作为一个工作电极，并与一个Pt线计数器电极和一个Ag/AgClO4参考电极相结合，进行电化学合成。通过精确控制循环电压，获得激发波长为340nm、荧光量子产率为6.4%的荧光碳点。随后，用石墨棒作为工作电极，在水溶液中产生了荧光。考虑到有希望的结果 ，几个研究小组采用了电化学合成方法来制备碳点。然而，对碳点的后期处理，如表面钝化或功能化，达到高的荧光量子效率，使得这种方法更加复杂、耗时和昂贵[1]。
- 电弧放电法
第一种合成碳点的方法就是电弧放电法。在此，Xu用一种制备的电化学方法将荧光碳点从混合物分离出来，并发现在366nm激发波长下，荧光材料的荧光量子效率可以达到1.6%。这种方法的优点是只要一个简单的净化过程，便可得到一种小尺寸，环境友好型的碳点，并且制备好的碳点可以在不经过表面修饰的情况下，在紫外光下可以发射出不一样的荧光色。然而，在和合成改性中，混合分离、低产量是其缺点[2]。
- 热解法
热解法就是在高温的环境下，将碳源裂解成碳点。Giannelis首次提出使用该法制备碳点[3]。他们以柠檬酸和4-氨基安替比林合成碳点。其后，Chen用高温处理树叶，得到了蓝色荧光碳点[4]。
- 微波法
微波法是一种简易、快速、廉价的方法，用于制备具有高荧光性能的碳点。Yang报道了一种简单的微波法来合成荧光碳点。一种葡萄糖分散在聚乙二醇，微波下加热2-10分钟来制备碳点的方法[5]。
- 超声法
超声方是利用超声作用产生巨大冲击波来合成碳点。Li曾经使用超声法，以葡萄糖为碳源合成了碳点。其粒径分布均一，大约为5nm[6]。Kang也利用超声法合成了氮掺杂的荧光碳点[7]。
- 激光法
激光法是一种通过激光照射将材料从表面上移除的方法。Sun报告了一种激光烧蚀的方法，用Nd:YAG激光器(1064纳米，10赫兹)在氩气作为载体气体的条件下来制备碳点。然而，在硝酸氧化后，所获得的荧光碳粒子也没有检测到任何荧光特性。即使在酸氧化的碳点上有相当多的表面钝化后，也只有10%的表面被氧化。这表明激光法产生的碳点需要几个复杂的步骤和条件才能显示其荧光特性[8]。
- 其他方法
其他方法，如等离子轰击法[9]、低温加热法[10]、常温法[11]。在此就不一一介绍了。
综上所述，碳点的合成方法有很多，合成出来的碳点性质也各不相同。就从合成成本，量子效率等角度来说，目前最优的碳点合成方法是水热法。
1.3碳点的应用
碳点在应用方面最大的优势就是其生物兼容性。众所周知，传统的量子点都具有极强的毒性，这对活体生物伤害是很大的。此外，其荧光特性在众多领域也是前景极广。
1.3.1传感器
1.3.2生物成像
1.3.3光催化
1.3.4电致发光
1.3.5其他
1.4碳点研究的瓶颈
1.4.1荧光效率偏低
就目前而言，荧光碳点的量子效率偏低。尽管，目前碳点的荧光量子效率的纪录是94%。但是，绝大多数是在10%以下的。尤其是长波碳点，量子效率就更低了。
1.4.2碳点荧光发射波长偏短
目前，大多数的荧光碳点的发射集中在短波区域。然而，具有生物使用价值的荧光碳点往往是长波碳点。因为，生物体自身的蛋白就是发短波荧光，这样就对生物成像产生巨大的背景干扰。此外，这些碳点的激发波长一般都在紫外区，高能量的紫外光对生物体的伤害也是巨大的[12]。
1.5本文创新点
1.5.1金属离子掺杂
根据量子尺寸效应，碳点的尺寸越大，其发射波长越大。我们希望金属离子可以络合上去，一方面增加碳点的共轭程度，另一方面可以提供更多的跃迁轨道。
1.5.2可见光激发
前文已经提及，目前存在的大多数碳点都是紫外光激发。我们合成的碳点是可见光激发。这在生物成像领域有利于生物体的存活。
第二章 实验
2.1实验仪器
表2-1 实验主要仪器一览表
